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Feldeffekttransistoren

Feldeffekttransistoren, kurz FETs, sind spannungsgesteuerte Schaltungselemente. Es handelt sich dabei um unipolare Transistoren. Sie haben mindestens drei Anschlüsse: Gate, Source und Drain. Bedingt durch die Weiterentwicklung der Halbleitertechnologie werden Feldeffekttransistoren erst seit Anfang der 1960er-Jahre serienreif hergestellt, obwohl ihr Funktionsprinzip bereits 1925 von Julius Lilienfeld skizziert wurde.

Wissenswertes zu Feldeffekttransistoren

Wie funktioniert ein Feldeffekttransistor?

Feldeffekttransistoren verfügen im Grundaufbau über drei Anschlüsse. Der Leiterquerschnitt verläuft zwischen Source (Quelle) und Drain (Abfluss). Dazwischen befindet sich das Gate (Tor, Gatter), welches den Durchfluss der Ladungsträger reguliert. Das Gate selbst wird über eine Steuerelektrode kontrolliert.

Die Steuerung der Spannung durch Feldeffekttransistoren gelingt durch Modifikation der Gate-Source Spannung UGS, wodurch der Kanalquerschnitt beziehungsweise die Ladungsträgerdichte im Halbleiter-Widerstand beeinflusst wird. Dadurch kann die Stärke des elektrischen Stroms gesteuert werden. Bei minimaler Spannung UGS ist das Gate geschlossen und es fließt kein Strom, bei maximaler Gate-Source-Spannung ist der Kanalquerschnitt voll geöffnet.

In der schematischen Zeichnung ähnelt der Querschnitt des Feldeffekttransistors dem Absperrventil eines Wasserhahns

Welche Arten von Feldeffekttransistoren gibt es?

Unterschiedliche Arten von Feldeffekttransistoren unterscheiden sich durch die angewendeten Effekte zur gezielten Beeinflussung der Leitfähigkeit. Gemein haben alle Feldeffekttransistoren, dass die Steuerung der Leitfähigkeit zwischen Source und Drain über die Gate-Elektrode erfolgt.

Tipp: Die Bezeichnungen und Abkürzungen für unterschiedliche Gattungen der FETs sind historisch gewachsen und werden in der Praxis zum Teil synonym und damit inhaltlich unscharf verwendet.

MOSFET in der N-Kanal Ausführung mit Durchführungsloch zur Montage

MOSFET

Die häufigste Bauart von Feldeffekttransistoren ist der MOSFET. Ausgeschrieben bedeutet dies Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor. Andere Schreibweisen für dieselben Halbleiterwiderstände sind MOS-Feldeffekttransistor und MOS-FET.

Der MOSFET hat neben den drei bereits genannten Anschlüssen einen vierten Anschluss für Bulk (Substrat). Das Substrat ist ein Halbleitermaterial, welches gezielt zur Vergrößerung und Verkleinerung leitender und nichtleitender Gebiete im Querschnitt eingesetzt wird. Dazu wird das Substrat durch das entstehende elektrische Feld und die angelegte Spannung verarmt beziehungsweise mit Ladungsträgern angereichert. Dieser Prozess funktioniert, weil es sich beim Substrat im Bulk-Anschluss des MOSFET um ein im Vorfeld p- beziehungsweise n-dotiertes Halbleitermaterial handelt.

Übrigens: Bei Einzeltransistoren ist der Bulk-Anschluss des MOSFET bereits innerhalb des Bauteils mit dem Source-Anschluss verbunden und wird nicht separat geschaltet.

JFET für die Oberflächenmontage hat eine Betriebstemperatur von 150 °C

IGFET

Isolierschicht-Feldeffekttransistoren, insulated gate FET, kurz IGFET werden auch als Feldeffekttransistoren mit isoliertem Gate bezeichnet. Beim IGFET trennt eine Isolierschicht die Steuerelektrode des Gates vom Source-Drain-Kanal. Meistens besteht die Steuerelektrode aus Metall, das mit einer nichtleitenden Isolierschicht überzogen ist, erst dann folgt der Stromkanal aus Halbleitermaterial. Der Aufbau metal isolator semiconductor führt zur synonymen Abkürzung MIS-Feldeffekttransistoren und noch kürzer MISFETs für die Isolierschicht-Feldeffekttransistoren.

Tipp: Wenn Oxid als nichtleitender Isolator verwendet wird, heißen diese Transistoren MOSFET, also metal oxide semisconductor -FET.

JFET/ SFET

Junction-Feldeffekttransistoren (JFET), zu Deutsch Sperrschicht-Feldeffekttransistoren (SFET), haben eine Sperrschicht zwischen Gate und Kanal, die zur Steuerung des Stromfluss verwendet wird. Die Ausdehnung der Sperrschicht wird durch junction moduliert, wie der p-n-Übergang im Englischen heißt. Auch in Sperrschicht-FETs erfolgt die Steuerung der Ladungsanreicherung über die Spannung der Gate-Elektrode.

IGBT

Eine Mischform zwischen Feldeffekttransistor und Bipolartransistor ist der Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode, englisch insulated-gate bipolar transistor (IGBT). Er kombiniert die nahezu leistungslose Ansteuerung eines Feldeffekttransistors mit dem guten Durchlassverhalten der hohen Sperrspannung und der Robustheit eines Bipolartransistors. Allerdings ist der IGBT in seinem Anwendungsgebiet eingeschränkt auf höhere Betriebsspannungen.

Anwendungsszenarien von Feldeffekttransistoren

Feldeffekttransistoren schalten im Gegensatz zu Bipolartransistoren auch bei niedrigen Steuerfrequenzen fast leistungs- beziehungsweise verlustlos. Grundsätzlich eignen sich Feldeffekttransistoren für alle Einsatzgebiete. Beispiele für praktische Anwendungen sind:

  • FETs werden im Automotive-Bereich und als HF-Verstärker eingesetzt - IGFETs werden gern in der Digitaltechnik eingesetzt

  • JFETs eignen sich für Hochfrequenztechnik

  • Power-MOSFETs sind wegen ihrer hohen Schaltgeschwindigkeit in Schaltnetzteilen und Schaltreglern zu finden

Im Grundaufbau fließt der Strom unipolar durch den Feldeffekt-Transistor, also zwischen Source-Quelle und Drain-Abfluss immer in eine Richtung. Theoretisch könnte man die Fließrichtung zwischen Source und Drain tauschen, allerdings sind die meisten FETs in der Praxis asymmetrisch gebaut. Insbesondere bei häufig verwendeten MOSFETs verhindert die interne Verbindung zwischen Bulk und Source das einfache Vertauschen der Fließrichtung.

In Gleich- und Wechselstromkreisen werden die unipolaren Feldeffekttransistoren gern als bidirektionale Widerstände eingesetzt, um zum Beispiel Dämpfungsschaltungen zu realisieren.

Denn Feldeffekttransistoren haben gegenüber bipolaren Transistoren mehrere Vorteile, zum Beispiel:

  • schnellere Ausschaltzeiten

  • höhere Grenzfrequenz

  • höherer Eingangswiderstand

FAQ - häufig gestellte Fragen zu FETs

MOSFET für die Oberfläche ist nur von -55 bis 150 °C einsetzbar

Was sind die Vorteile von Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFET) gegenüber Bipolartransistoren (BJT)?

MOSFET haben gegenüber Bipolartransistoren geringere Schaltverluste, allerdings sind sie auch empfindlicher gegen elektrostatische Aufladung.

Wie werden Feldeffekttransistoren montiert?

Im Filter Montageart finden Sie für die Befestigung die Optionen Durchführungsloch, Gehäuse und geeignet für Oberflächenmontage. Darüber hinaus können Sie im Filter Gehäuse eine Vielzahl von Feldeffekttransistoren direkt mit Schutzhülle und genormten Anschlüssen bestellen.

Für den elektrischen Anschluss wird wie bei den Grundschaltungen von bipolaren Transistoren einer der drei Anschlüsse des FETs signalmäßig auf Masse gelegt, die anderen beiden dienen als Eingang und Ausgang für den Stromfluss. Dadurch können Sie Basisschaltung, Kollektorschaltung und Emitterschaltung realisieren. Analog zum bipolaren Transistor sind die Verbindungen beim Feldeffekttransistor: Emitter entspricht Source, Base ist das Gate, der Collector wird zum Drain.

Was bedeuten die Abkürzungen der elektrischen Kennwerte in den Filtern?

In den Filter können Sie einen passenden Feldeffekttransistoren nach den folgenden Kriterien auswählen:

  • ï         C (ISS) in Piktofarad pF – Eingangskapazität in Pikofarad

  • ï         I (d) in Ampére – StromflussDrain

  • ï         Ptot in mW – Totleistung in Miliwatt

  • ï         R(DS) (on) Referenz-Spannung in V – DurchlasswiderstandDrain/Source bei Referenzspannung

  • ï         R (DS) (on) Referenz-Strom in A - DurchlasswiderstandDrain/Source bei Referenzstrom

  • ï         U (DSS) in V – Drain-Source-Spannung

  • ï         U (GS) (th) max. in V – maximaler Referenzstrom

Was muss ich hinsichtlich der Temperatur beachten?

Der Feldeffekttransistor Ihrer Wahl muss passende Betriebstemperaturen für Ihren Anwendungsbereich aufweisen, um Schäden am FET und anderen elektronischen Bauteilen zu verhindern. Die verfügbaren Betriebstemperaturen für Feldeffekttransistoren in unserem Shop reichen von -65 °C bis +125 °C.

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